（光学工程专业论文）车轮不圆度检测及dsp的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 车轮作为机车车辆的重要部件，车轮失圆是影响运行安全性和平稳性的 重要因素，因此车轮的不圆度测量是铁路部门一直密切关注和不断研究改进 的课题。 本文详述了一种在线式车轮不圆度检测装置，选择一种接触式平行四边 行检测机构实现车轮不圆度的自动检测，基本原理是通过测量车轮轮缘相对 钢轨的下垂量来检测车轮是否失圆。 本测量系统主要由平行四边形机构、非接触式位移传感器、数据采集处 理系统以及与计算机的数据通讯系统四部分组成。其中位移传感器选用的是 电涡流位移传感器，该传感器稳定性好，抗冲击能力较强，根据其检测范围 较小，在实际检测过程中采用传感器水平安装方式检测平板的水平位移量， 最后转化为垂直位移量。该数据经过a d 采集模块输入到d s p 数据处理模块， 然后将处理结果通过s c i 传输到上位机进行显示。实验及数据处理结果表明： 低速( 1 5 k m h ) 条件下测量结果较精确，系统的测量误差小于0 4 m m 。此外， 本系统安装方便，受外界环境因素影响小，有较好的实用性。 本文首先介绍了该方案的生成背景。国内外情况及可行性分析，然后对 系统工作原理、特点做出了描述，并详细给出了数据处理的算法及实验结果。 关键词：车轮、不圆度、平行四边行机构、非接触式位移传感器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ep r o b l e mt h a th o wt om e a s u r et h eu n r o u n d e dd e g r e eo ft h et r a i nw h e e l s p r o f i l e i sc o n c e r n e da l l a l o n ga n dp e r p e t u a ls t u d i e da n di m p r o v e d t h a ti s b e c a u s et h e i r r e g u l a r i t i e so ft r a i nw h e e l sa r et h ek e yf a c t o ro fi n f l u e n c i n gt h e s a f e t ya n ds t a b i l i z a t i o no fr u n n i n g t h ea r t i c l eg o e si n t op a r t i c u l a r so fo n l i n em e a s u r e m e n te q u i p m e n to ft r a i n w h e e l s i r r e g u l a r i t i e s t h ep a p e rc h o o s eak i n do fc o n t a c t i n gd e t e c t i o nm o d e b a s i n go np a r a l l e l o g r a ml i n k a g et or e a l i z et h eu n r o u n d e dd e g r e eo ft h et r a i n w h e e l si n s p e c t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h em o d ei sm e a s u r i n gt h ew h e e l r i m d e s c e n d i n gv a l u er e l a t i v et os t e e lr a i la n dt h ev a l u et h e ni st r a n s f o r m e dt ot h e u n r o u n d e dd e g r e eo f t h et r a i nw h e e l s t h ef o u rm a i np a r t so ft h es y s t e ma r ep a r a l l e l o g r a ml i n k a g e ，n o n c o n t a c t i n g d i s p l a c e m e n ts e n s o r , d a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m , c o m p u t e ra n dd a t a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ee l e c t r i c a lb o ww a v es e n s o ro fw h i c ht h es t a b i l i z a t i o n a n da s e i s m a t i ca b i l i t yi s s t r o n gi sa d o p t e di n t h i ss y s t e m b u tt h em e a s u r i n g s c o p eo ft h e s e n s o ri sn o to fg r e a tw i d t h h e n c et h es e n s o ri si n s t a l l e d h o r i z o n t a l l yt od e t e c th o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tv a l u eo ft h es l a b t h e nt h ev a l u ei s t r a n s f o r m e dt ov e r t i c a ld i s p l a c e m e n tv a l u e t h ed a t ai si m p o r t e dt ot h ed s p b y a d c ，a n dt h ed a t ab ep r o c e s s e di si m p o r t e dt ot h ec o m p u t e rb ys c i t h e e x p e r i m e n ta n dt h er e s u l to ft h ed a t ap r o c e s s i n gs h o wt h a tu n d e rt h el o ws p e e d c o n d i t i o n ，t h er e s u l ti sc o m p a r a t i v e l ya c c u r a t ea n ds y s t e m i cm e a s u r e m e n te r r o ri s l e s st h a n0 4 m m m o r e o v e r , t h ei n s t a l l a t i o no ft h i ss y s t e mi sc o n v e n i e n t a n o t h e r s t r o n g p o i n to ft h es y s t e mi s t h a ti ti sn o t e a s i l y a f f e c t e d b y t h eo u t s i d e e n v i r o n m e n tf a c t o r t h es y s t e mw i l lh a v eg r e a td e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d t h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t ，t h ei n l a n da n do v e r s e a s t e c h n o l o g y , t h e f e a s i b i l i t ya n a l y s i si sf i r s t l yi n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e t h e nt h ew o r k i n gp r i n c i p l e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca r ed e s c r i b e d ，t h ea r i t h m e t i co fd e a l i n gw i t hd a t aa n dt h e g e n e r a t i o no ff i n a lp r o j e c ta r ep a r t i c u l a r l yd e p i c t e d a tl a s tt h ee s t i m a t i o no ft h e p r o j e c ti sg i v e n k e yw o r d s ：t r a i nw h e e l s ，t h eu n r o u n d e d d e g r e e ，p a r a l l e l o g r a ml i n k a g e ， n o n c o n t a c t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 轮对的基本知识 第1 章绪论 轮对是直接与钢轨接触的列车机械部分，支撑着列车的全部重量，列车 的全部静载荷均通过轮对传给钢轨；另外列车与钢轨问的牵引力和制动力也 通过轮对传递，因此轮对是列车走行部中重要的部件。 轮对主要由车轴和车轮两部分组成“”，如图1 - 1 所示，图中1 是车轴， 2 是车轮。 1 1 1 车轴 图1 - 1 轮对组成 车轴主要分为滑动轴承车轴和滚动轴承车轴两种。滚动轴承能减少运动 阻力，适合高速运行，是铁路车辆技术现代化的重要措施之一。滑动轴承轴 箱由于启动阻力大，不适合高速运行，维修费用高，冬、夏季需更换轴油且 易发生热轴，故逐渐被滚动轴承轴箱所代替。 滑动轴承车轴如图1 2 所示，其中l 一中心孔；2 一轴颈前肩；3 一轴颈 后肩；4 一轮座前肩；5 一轮座后肩；6 一轴身；7 一轴中央部；8 一轮座；9 一 防尘板座：l o 一轴颈；1 l 一轴领。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图卜2 滑动轴承车轴 滚动轴承车轴如图1 - 3 所示，其中1 一中心孔；2 一轴端螺纹：3 一轴颈 后肩：4 一轮座前肩；5 一轮座后肩；6 一轴身；7 一轴中央部；8 一轮座；9 一 防尘板座；l o 一轴颈：1 1 一卸荷槽；1 2 一退刀槽；1 3 一防松板座；1 4 一防松 板座槽；1 5 一轴端螺栓孔：1 6 一皮带轮安装座。 摭一 1 1 2 车轮 图1 - 3 滚动轴承车轴 1 6 车轮如图卜4 所示，其中1 一轮缘；2 一踏面；3 一轮辋；4 一轮毂；5 一 轮毂孔；6 一辐板；7 一辐板孔。 图1 - 4 车轮 为了使轮对在钢轨上运行平稳，顺利通过曲线和道岔，降低踏面和轮缘 磨耗，延长使用寿命，对车轮踏面外形尺寸有统一的规定。下面介绍几种典 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 型的踏面外形。 1 锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面外形 锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面外形如图卜5 所示。 图卜5 锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面外形 其外形特点是：轮缘厚度为3 2 毫米，轮缘高度为2 5 毫米，由轮背内侧面 测量到7 0 毫米处的踏面上，此点称为基准线。由基准线起向左2 2 毫米，向 右3 0 毫米，合计5 2 毫米的部分上设有l ：2 0 的斜度，踏面最右边的一段设 有l ：l o 的斜度。设有两个锥形斜面的理由是：当车辆通过曲线时，由于离 心力的作用，轮对偏向外轨转动，为了使轮对顺利通过曲线，就要设两个不 同尺寸的直径，即内侧踏面的直径大于外侧踏面的直径。这样轮对通过曲线 时，外轨的车轮滚动要比内轨车轮滚动的长度大，才能弯转过来。此外，当 车辆在直线上运行中，由于踏面上有斜度的关系，使车轮可以经常地自动纠 正车辆中心线与线路中心线的差距。还由于踏面外侧有1 ：1 0 的斜度，使踏 面外侧距轨面有一定的高度，可保证车轮踏面中部经过一定磨耗后，仍能安 全地通过岔道，相对地延长了车轮的使用时间。 2 磨耗型( l m 型) 车轮轮缘踏面外形 磨耗型( l m 型) 车轮轮缘踏面如图卜6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜6 磨耗型( l m 型) 车轮轮缘踏面外形 自七十年代中期，我国就采用磨耗型踏面。实践证明，磨耗型踏面的运 用是安全可靠的，在减少圆周磨耗和轮缘磨耗以及减少旋削量方面都取得了 预期效果。磨耗型踏面的最大特点在于：轮轨接触参数具有明显的非线性特 征，它具有较大的等效斜度及重力复原羁4 度，当车轮运行于曲线上并产生较 大的横向偏移时，其等效斜度和重力复原刚度都比在平衡位置附近大得多， 对于自由轮，磨耗型踏面在半径为2 5 0 米的小曲线上，轮缘与轨道之间尚有 一定间隙，而标准型踏面只有当曲线半径大于1 1 0 0 米时，轮缘与轨道才能避 免接触，因此，磨耗型踏面轮对于列车通过曲线及减轻轮轨磨耗是十分有利 的。 1 。2 铁道车辆车轮不圆度检测的意义 铁路系统中，轮对不仅承受着列车的全部重量和自身的重量，而且还要 传递列车与钢轨间的驱动力和制动力川。另外轮对需要承受很大的静载荷和 动作用力、组装应力、闸瓦制动时产生的热应力以及曲线通过时的构架力、 导向力、轮对本身旋转的离心力等，因此，车轮不圆会给钢轨带来振动和噪 声，尤其是踏面擦伤会给车轮轴承与钢轨带来巨大的额外冲击载荷，其大小 随擦伤长度、深度以及列车速度、载重量不同可达到车轮静载荷的几倍到几 十倍，并且随着车轮的滚动周期性地作用于轨道和车辆系统，是引起轮轴断 裂、钢轨和轨枕断裂不可忽视的重要因素1 2 1 0 所以要求轮对必须保持良好的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 技术状态，否则会严重影响行车安全。因此，对车轮几何参数的测量一直是 铁路部门密切关注和不断研究的课题。 当车轮不圆的程度超过限定值时必须作为轮对故障而报警。这些参数是 作为研究铁路车辆动力学和车辆稳定性等问题的前提。因此如何准确地探测 车轮不圆度，在保证行车安全的前提下，延长车轮使用寿命，已成为急待解 决的问题1 3 1 0 随着列车向高速、高密度和重载方向发展，车轮故障相对逐渐 增多，迅速准确检测出车轮踏面擦伤对保障机车运行的安全性及高速化、重 载化的实现具有重要的意义。此外，轮对几何参数的测量也为轮轨接触几何 关系的研究提供了有力依据。通过对轮对的检查追踪，可以使轮对的运用情 况有全面的把握，从而对更加合理踏面、轮轨的提出奠定了基础。 1 。3 车轮不圆度的产生机理 目前，在列车运行中，由于存在着线路养护条件差、轮轨外形及材质匹 配不合理、转向架技术状态不良、牵引装载定数过大、车轮及闸瓦的材质、 列车制动时制动力不均或过大使闸瓦没有缓解而引起轮对在轨道上滑行或轮 对在轨道上长期滚动、空重车调整装置漏调或误调致使空车时在重车位制动 力过大、调车作业的铁鞋制动、机车司机的操纵水平不高及车辆缓解不良等 诸多原因，造成车辆车轮踏面擦伤、剥离等故障较多，使踏面滚动圆成弦缺 状( 扁平) 1 2 1o 另外，列车的高速、重载、高密度运行也加速了轮对的磨损。 导致车轮踏面及轮缘出现磨损，使车轮的几何形状发生变化，使车轮直径减 少，造成车轮不圆。以下是一些造成车轮不圆的踏面擦伤图片，如图1 7 所 示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图l 一7 一些典型的踏面擦伤图片 以上提到的都是较为常见的车轮不圆的产生机理，它们严重影响列车与 轨道设施的安全和使用寿命，甚至影响到行车安全。 1 。4 国内外车轮不圆度检测研究的进展 1 4 1 总体检测方案的分类 车轮外形尺寸的检测方法基本分为静态检测法和动态检测法。静态检测 是指机车车辆在静止状态下或检修中进行的测量，一般机车在进行计划修时 都采用静态检测方式。动态检测是指机车车辆在运行时进行的测量。采用在 线动态检测方式，是机车轮对参数检测的发展方向。 国外从事轮对自动检测方面的研究己经二十多年，在车轮的外形尺寸检 测方面进行了深入的研究，拥有了较成熟的检测技术，开发出不同类型的检 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 测产品并投入日常使用。 国内开展车轮外形尺寸检测研究工作起步较晚，九十年代左右开始。经 过十多年的努力，提出了一些新的思路和检测方法，研制出不同类型的检测 装置，但是没有形成广泛适用的自动化检测产品，没有改变我国轮对尺寸检 测的落后状态。 1 4 2 静态检测技术综述 静态检测技术经历了从机械量具阶段到电子量具阶段，再到图像测量的 阶段5 卜”。 1 机械量具阶段 早期( 8 0 年代) 的轮对外形尺寸静态检测主要采用机械量具接触式测量， 一般通过卡尺手工实现，工作量大、速度慢、效率低。不过由于机械量具检 测具有稳定性高、成本低、携带方便等优点，在轮对的定期检修中仍被广泛 采用。 2 电子量具阶段 随着微电子技术、光学技术( 尤其是激光技术) 和可编程控制技术的飞速 发展，早期的机械量具测量方式逐渐被电子量具所取代。通过在车轮上加装 电子量具，用接触式检测探头( 如爬行式接触传感器) 或非接触式检测探头( 如 光导位移传感器、电感位移传感器、激光位移传感器) 扫查车轮的轮缘踏面部 分来获得车轮的外形曲线。这种测量方式实现了半自动化测量，适合于在线 非在线机车轮对检测，提高了检测效率。 3 图像测量阶段 随着c c 9 技术的发展，c c 9 图像测量技术在尺寸检测领域中得到了广泛 的应用。近年来，c c d 图像测量技术逐渐应用到铁路检测领域。如9 0 年代初， 日本开发的“轮对自动检查装置”“”，就是利用c c d 图像测量技术对检修时 解体的轮对进行非接触检测，获得车轮外形尺寸及外形曲线。图像测量方式 不仅实现了检修作业的自动化，提高了检测精度和可靠性，而且极大地改善 了作业环境。 1 4 3 动态检测技术综述 动态检测技术实现了机车的在线动态检测，因此具有检测速度快、效率 高、检测自动化程度高、不占用机车车辆周转时间和便于存储车轮信息资料 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 等优点，在最近十几年里，车轮外形尺寸动态检测技术日益受到世界各国的 重视。以下介绍几种典型的车轮外形尺寸动态检测技术“1 。 1 接触测量法 接触测量法一般通过直接测量轮缘高度的变化量来获得车轮关键尺寸， 这种方式一般只能检测踏面磨耗。使用接触方式进行车轮尺寸动态检测的研 究实例有：日本在9 0 年代中期研制出的“定置型轮对主要尺寸测定装置”“； 北方交大在9 0 年代中后期提出的“机车轮对踏面磨耗自动检测新方法“1 ： 另外还有长沙铁道学院同期研究的“车轮踏面磨耗自动检测系统“”。 z 涡流法 前苏联在8 0 年代初期设计了利用涡流检测变换器来检测车轮磨耗的非 接触式“车轮踏面磨耗检测装置州”1 。测量时，对机车速度无限制，可靠性 高，但只能检测踏面磨耗。 3 超声遥测法 机车以限定速度通过时，遥测传感器组测出距车轮各特征表面的距离， 经分析处理后可以得到车轮直径、轮缘厚度、踏面磨耗及垂直磨耗等参数。 超声逐测法的应用实例是俄罗斯联邦铁路于9 0 年代中期研制的“轮对参数自 动化检测装置”。 4 图像测量法 图像测量技术不仅在车轮外形尺寸的静态检测中得以应用，在动态检测 中也被广泛使用“。利用c c d 摄像机拍摄行进中车轮的外形图像，从图像上 直接获取反映车轮外形的轮廓曲线即完成了车轮外形关键尺寸参数和外形曲 线的测量。c c d 图像检测技术在车轮外形尺寸动态检测中的典型应用实例有： 日本8 0 年代初研制的“轮缘磨耗自动检测器”；罗马尼亚9 0 年代中期研制的 “车轮外形磨耗自动检测系统”；日本9 0 年代末研制的“车轮踏面形状自动 测定装置”；我国9 0 年代末试制的“车轮轮箍参数非接触动态监测装置”。 1 5 本文的研究与工作 为了有效的以在线测量的方式检测出车轮的不圆度，并提高测量效率及 精度，实现数字化检测，达到列车安全运行的目的，本文设计了对车轮不圆 度的检测系统，以在线检测的方式有效的检测出运行列车的车轮不圆度情况。 提出了利用平行四边形机构、电涡流接近式传感器以及d s p 数字信号处理器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 等实现对轮对的不圆度的自动检测。 本文从课题背景出发，经过实际的调研及大量相关文献的查阅，提出了 基于平行四边形检测机构的车轮不圆度检测系统，本文给出了系统的构成， 在d s p 上实现采集后数据的分析、处理，并将处理结果上传到上位机显示车 轮的不圆度情况，得到了比较好的效果。 整个系统安装简单方便，可以大大提高效率，减轻劳动强度。另外在该 系统中应用d s p 技术可以对数据进行实时的采集处理，加快了处理速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章车轮不圆度检测方案的确定 2 1 车轮不圆度动态检测原理 2 1 1 超声遥测法 俄罗斯联邦铁路于9 0 年代中期研制成功轮对参数自动化检测装置。它采 用超声遥测的非接触测量方法“1 ，当机车车辆以不大于5 千米d , 时的速度 运行时，遥测传感器组可测出距车轮各个特征表面的距离，经分析处理后， 可得出车轮直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等参数。以此来检测出车 轮不圆度。 2 1 2 图像检测法 图像检测法的基本原理是：利用c c d 摄像机拍摄行进中车轮的外形图像， 从图像上直接获取反映车轮外形的轮廓曲线即完成了车轮外形关键尺寸参数 和外形曲线的测量。以检测到的车轮轮廓曲线与标准车轮外形曲线对比即可 得到其车轮不圆度。其代表装置有日本9 0 年代末研制的“车轮踏面形状自动 测定装置”o 卜1 1 2 1 。 1 系统构成 该系统如图2 - 1 所示，主要由一下几部分组成：车轮检出传感器、检测 部、数据处理台、气缸、遮光板组成。数据管理装置由计算机和打印机组成。 车髓出懂艄 图2 - 1 车轮踏面形状自动测定装置系统构成 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 检测部为装有光源、摄像机、同步检测传感器等的组件，被绝缘固定在 两根钢轨上。由于安装有光学仪器和电子仪器，所以采用了遮光板以及冬季 融雪和夏季降温功能的电子设备。在检测器附近的线路外面设置有露天平台， 以装设检测部仪器的各种控制部分、摄像机放大器、进行图像获取和处理的 处理机等。处理机和事务所微机之间用光缆插接件连接，从事务所发出的测 定指令和向事务所传输测定结果都是高速进行。由微机进行测定指示和测定 结果的显示编辑、图像确认、数据履历管理等，必要时可用打印机打印输出。 2 测定原理 测定原理称为光截法。分别向车轮踏面部和内侧侧面部照射细带状激光 束，用两台c c d 摄像机拍摄来自车轮被照射部分表面的散射光图像。激光照 射范围为通过的一个车轮，光电传感器跟踪车轮轮缘，用高速随机快门摄影。 对拍摄的图像进行滤光处理和细线化处理，以找出激光图像的中心线，计算 出车轮各部分的尺寸。在左右车轮处设置两对光源和摄像机，从两者的测定 结果计算出车轮两内侧面的距离。实际上车轮通过时会发生左右滑移，因而 对此要进行各种修正才能得到所要的精度。其测定原理如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 相对于检测部位置的前3 0 米处，第二传感器在检测部前面3 米处，第三传感 器在检测部后面3 米处，各自依次工作。 首先，由第一传感器检测列车的进入，处于检测待机状态。其次，由第 二传感器识别先头车轮，打开光学保护闸门，并用气缸内压缩空气清除保护 玻璃表面上的尘埃。接着，由检测部对车轮进行测定，由处理平台对检测数 据进行处理，并向事务所传输测定结果。最后，由第三传感器器识别最后通 过的车轮，同时关闭保护闸门。 如此，通过第二传感器与第三传感嚣的组合的方式，只在列车通过检测 部时，保护闸门才打开，从而使投光和受光部遭受尘埃、雨和雪等的不良影 响减小到最低限度。 2 1 3 接触测量法 接触测量法们2 2 2 2 3 1 的基本原理是：通过测量车轮轮缘下垂量的变 化，实现对踏面擦伤及磨损的测量，以此来确定车轮的不圆度。如图2 3 所 示，车轮踏面受损后，其圆周的半径将减小，也就使得轮缘顶点t 相对于钢 轨的位置将低于h 。一般车轮轮缘顶部圆周上的t 点是不会被破坏的，因此t 点位置的变化信息包含了车轮踏面圆周的受损信息。所以通过测得t 点的相 对位移h ，经修正后就可得到当前车轮踏面的磨损和擦伤值，然后与标准车 轮踏面曲线对比即可得到车轮的不圆度情况。这种方法配合位移传感测量技 术，实现方便。 图2 - 3 接触法测量原理图 1 系统总体配置及构成 测量系统总体配制如图2 4 所示。整个测量系统包括平行四边形机构、 位移传感器、数据采集和处理系统、微机系统四大部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 4 测量系统构成图 测量装置结构如图2 5 所示，其中平行四边形机构平板的两端分别与支 杆一端铰接，支杆的另一端分别与固定在钢轨的支座铰接，加上弹簧，使平 板在列车运动时始终与轮缘顶部接触。位移传感器与固定在构成平行四边形 机构一边的钢轨上的支座相连。这样，传感器的测量头可直接测量列车运动 时平板相对钢轨的垂直位移，即车轮踏面与轮缘的相对高度的变化量。若在 列车运动过程中每单个车轮踏面与轮缘之间的高度相对不变，则表明踏面不 存在擦伤，此时位移传感器输出也相对不变；若踏面存在擦伤，则相对高度 有突然变化，位移传感器可直接测出这一变化，即可得到其擦伤量；当踏面 有磨损时，位移传感器的初始读数值相对无磨损车轮有一明显变化，此变化 量即为车轮踏面的磨损量。 f 行i ! ! | 边彤机构亿移传感嚣 图2 - 5 测量装置结构图 2 系统工作流程 系统动态测量过程的实现是在计算机及软件系统的控制下协调工作的。 在等待过程中，程序自动完成系统自检及高速采集卡的初始化工作，并不断 采集同侧两个传感器数据，当所得数据先后超过阈值后，说明机车进人测量 区段，实时采集四个传感裾的数据。根据车轮经过同侧两个传感器的时间间 隔，可自动测量出列车运行的速度，以便调整数据采集速度：根据a d 采集 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 速度和列车速度以及各车轮对应数据可以计算车轮轮轴间的距离，由此距离 判断车型和车轮序号，实现自动计轴计辆；根据测量原理，计算各车轮磨损 和擦伤量，提取超过阈值的数据；根据实际需要，向端机房传送数据，由此 完成数据的输出工作。 理想情况下，如果平行四边形机构及钢轨不存在加工误差，平行四边形 机构与钢轨之间处于理想的装配条件，新车轮和磨损擦伤车轮通过传感器得 到的输出波形如图2 6 所示。 图2 - 6 理想条件下传感器波形 由图通过数据处理可以直接测量出踏面擦伤及磨损量，以此得到车轮踏 面的直径。实际中，由于机构的各种加工误差和安装误差，实际输出信号与 以上理想情况有所不同。此外当车速较高时，由于在轮缘顶部与平板撞击的 瞬间，将产生较大的冲击力作用于平板上，导致平行四边形机构的振动，使 得轮缘项部与平板瞬间不接触。这样，测量基准丢失，踏面擦伤将被漏测， 此时将无法测得车轮外形。 2 2 检测方案的对比及选择 通过对现有的几种动态检测原理的介绍和比较，我们可以得出以下结论： 手工检测法由于其效率低，劳动强度大，受外界影响因素大，测量不准确， 不能实现自动检测等缺点，在以后的发展中将会被逐步取代。对于超声遥测 法，技术难度( 缺陷回波和当量比较) 和造价明显较高，另外关于超声波的 判定几乎都无具体指标，所以该方案困难比较大。图像检测法的装置造价高， 数据处理量大，对车速有限制，技术要求高，就国内目前的情况，技术还不 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 够成熟，还很难移植使用，故不适宜采取该方法。 综上所述，针对我国目前检修状况，希望机车或车辆进出机务段或车辆段 时，对车轮的不圆度状况能准确、自动地检测出来，根据国内外的相关经验， 采用直接测试的接触式位移检测法来测量是较为理想的，该方法造价低，技 术上比较容易实现，这一方法适用于机车车辆在较低运行速度下的轮对踏面 进行测量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章车轮不圆度检测系统的设计 3 1 检测系统的组成 3 1 1 系统设计的基本构思 一般情况下，列车运行时车轮轮缘不容易损坏，而在踏面存在擦伤或车 轮存在偏心时，由于车轮半径的变化，车轮踏面相对钢轨有一定下垂量，即 轮缘顶点相对钢轨也有一定的下垂量，这段下降量体现出车轮的不圆度情况， 所以通过测量位移的方式将车轮轮缘的下降量检测出来。而检测位移可以通 过轮缘与平板接触，车轮经过时，轮缘压下平板使其产生平动，再通过位移 传感器将平动量检测出。而轮缘压下平板时，平板即产生水平位移也发生垂 直位移，故传感器的安装方式有水平和竖直两种。传感器输出的是4 - - 2 0 r a a 的电流信号，还要通过标定将其转化为位移量，再通过数据采集模块将其输 入d s p ，最后采用相关的数据处理方法和算法得出车轮不圆度的情况，实现 车轮不圆度的在线自动检测。 3 1 2 检测系统的总体结构及组成 系统由平行四边形测量机构、前置电路、a d 采集模块、d s p 数字信号处 理模块以及上位机显示系统组成。其总体框图如图3 一l 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图3 1 系统总体框图 3 1 3 检测系统各组成部分介绍 l i 平行四边形测量机构 平行四边形测量机构如图3 2 所示：由平板、支杆、弹簧和位移传感器 等组成。平板的两端分别与支杆一端铰接，支杆的另一端分别与固定在钢轨 的支座以3 0 度角方向铰接，加上弹簧，使平板在列车运行时始终与轮缘顶部 接触。位移传感器与固定在构成平行四边形机构一边的钢轨上的支座相连。 这样，传感器的测量头可直接测量列车运动时平板相对钢轨的水平位移，通 过换算即可得到车轮踏面与轮缘的相对高度的变化量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 弹簧 电涡流接近传感器 图3 - 2 平行四边形测量机构 若在列车运动过程中每单个车轮踏面与轮缘之间的高度相对不变，则表 明车轮没有失圆，此时位移传感器输出也相对不变；当踏面有磨损或者偏心 的情况时，位移传感器的输出值有明显变化：位移传感器可直接测出这一变 化，即可得到车轮的不圆度情况；通过传感器得到的输出波形如图3 3 所示。 图3 - 3 理想情况下擦伤车轮及偏心车轮的传感器输出波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 2 前置电路 前置电路主要功能是实现对传感器输出信号的调理。将传感器输出的4 2 0 m a 电流信号转化为电压信号，具体措施为将电流输出与信号地之间串接 2 4 0 欧姆精密电阻转换成电压值。然后利用集成运放l f 3 5 3 对电压信号进行 调理，其电路原理图如图3 4 所示。 图3 4 密暮渡电路原理图 滤波电路采用二阶有源低通滤波器，依然采用l f 3 5 3 作为运算放大器。 电路如图3 4 ，这个滤波电路的主要任务是衰减掉高频的噪声和干扰。 上图的电路当信号频率为零时，即输入直流电压时其电压放大倍数为： 4 ：l 十拿 ( 3 - 1 ) 足 4 也称为通带电压放大倍数。电路的特征频率为五，由下式决定： 五2 斋 (3-2) 当信号输入频率等于电路的特征频率时，电压放大倍数的模与通带电压 放大倍数的比值称为q 值。对于本滤波电路而言，其q 值为： q = 二- ( 3 3 ) 。 3 一a 。 取q 值为1 ，则4 = 2 ，即 a i = 1 + 等乏，专叫 4 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 此时滤波器的通带截止频率正为： = 、竿f o = o 7 8 6 f o ( 3 - 5 ) t 经过以上电路的预处理工作后，所得到的信号基本满足a d 转换的需求， 可以进入信号采集模块。 3 a d 采集模块 a d 采集模块的主要功能是实现对传感器的输出信号进行采样，在其进 入数据处理模块之前利用a d 芯片进行模数转换，将模拟信号转换为数字信 号，以方便接下来对信号的处理。 考虑到采样之前，在信号输入端出现动态的输入阻抗，所以a d 芯片前 必须有一个前端电压跟随器a d 8 1 7 。它可以起到一个阻抗源的作用，阻止阻 抗的上升，使输入的模拟信号更稳定。其电路原理图如图3 5 所示。 h l x o 图3 5 电压跟随器 4 数据处理模块( d s p ) 该模块主要由一个d s p 芯片组成，d s p 芯片，即数字信号处理器，是专 门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器， 内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，流水线操作，提供特殊的数 字信号处理指令，可以快速地实现各种数字信号的处理。该模块的主要功能 是实现检测系统的信号处理算法，并将处理结果进行传输。 5 上位机显示模块 该模块的主要功能是实现对列车判向及计轴计辆数据的处理，用于判断 列车运行方向、实现轮对数据的准确定位，并实现对数据处理模块所传输数 据的最后处理以及直观的显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 2 系统各部件的选型 3 2 1 传感器的选型 本实验主要测量的是机车通过平行四边形机构时轮缘相对钢轨的下垂 量，需要选择传感元件。传感元件主要是将外界非电量信息转换成与之有确 定关系的电量输出的器件或装置。它可以根据所检测的外界非电量的不同分 为许多种类，包括：位移传感器、速度传感器、温度传感器、加速度传感器 等。实际中选用时可以根据测量的物理量而定。 由于是检测轮缘顶部相对于钢轨位移的变化信息，要测出这个变化量需 使用位移传感器，而这个量一般来说很小，这就对传感器的检测范围及精度 就极高的要求。为了能得到车轮的不圆度信息，必须使用传感元件直接检测 踏面变形，然后对数据进行处理得到车轮的不圆度信息并判断是否需要维修。 使用位移传感器直接检测轮缘与钢轨间距离可选的传感元件有许多种。电感 式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感 器、霍尔式位移传感器、光栅位移传感器、激光位移传感器、电涡流位移传 感器和电位器式位移传感器等。这里主要考虑三种常用的位移传感器：光栅 传感器、激光位移传感器和电涡流位移传感器。 1 光栅位移传感器 光栅位移传感器的工作原理是由一对光栅副中的主光栅( 即标尺光栅) 和副光栅( 即指示光栅) 进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产 生黑白相间( 或明暗相间) 的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器 件转换使黑白( 或明暗) 相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放 大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为9 0 。的正弦波或方波，送入光 栅数显表计数显示。 光栅位移传感器的特点：光栅传感器精度高，使用简单，稳定性好，但 是接触测量导致易磨损、损坏。机械结构也较复杂，使用更换频繁。 2 激光传感器 激光位移传感器的研究和应用，正处于快速发展当中。国际上两种代表 性的激光测距产品分别采用c c d 三角法、聚焦跟踪法。前者通过计算机处理 线阵c c d 的光斑分布得到位移结果，后者通过机械驱动镜头跟随聚焦点得到 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 位移结果。资料表明它们都具有较好的测量准确度，能适于很多不同的表面 情况。后者只有配合机械驱动及相应的位移测量机构才能工作。 根据光线的不同入射方式激光三角位移传感器主要分为两种：直入射式 和斜入射式。其工作原理为三角测量法。三角测量法是一种位移测量方法，其 最大优点是非接触性测量。随着激光器的诞生及新的光电扫描技术与阵列型 光电探测器的发展，计算机控制与数据处理使这种传统的方法有了很多新的 进展和应用。最简单的三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表 面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置，从而计算出物点的位移。由 于入射和反射光构成一个三角形。所以这种方法被称为三角测量法，又可按 入射光线与被测工件表面法线的关系分为直射式和斜射式。 ( 1 ) 直射式 直射式三角法测量等效光路如图3 6 所示。激光器发出的光线，经会聚透 镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或表面变化导致入射光点沿 入射光轴移动。接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光点 位置探测器( 如c c d ) 敏感面上。 图3 6 直射式三角法测量等效光路 ( 2 ) 斜射式 图3 - 7 为斜射式三角测量原理图。激光器发出的光与被测面的法线方向成 一定角度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反 射光。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 以 6 一接收透镜 i 被测表面 2 彳n 图3 7 斜入射直接收式光路图 基于三角测量法的传感器称为激光三角位移传感器，具体可分为直射式 激光三角位移传感器和斜射式激光三角位移传感器。这两种传感器都可以对 被测面进行高精度、高速度的非接触测量，但比较起来还是有以下区别： ( 1 ) 斜射式可接收来自被测物体的正反射光，比较适合测量表面接近镜面的 物体。直射式由于其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面，如 果表面较为平滑，则可能由于耦合到光电探测器的散射光强过弱，使测量无 法进行，也就是说可能存在测量盲区。 ( 2 ) 直射式的优点是光斑较小，光强集中，不会因被测面不垂直而扩大光斑， 而且一般体积较小。斜射式传感器分辨率高于直射式，但它的测量范围较小， 体积较大。 综上所述，激光位移传感器具有测量精度高、稳定性好、速度高、激光 束可准确定位到轮廓上的某一点等特点。目前激光传感器的价格是电涡流传 感器的3 5 倍。但是，其受外界环境因素影响较大，抗震动和冲击能力较 差。 3 电涡流传感器 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传 感器能准确测量被测体( 必须是金属导体) 与探头端面之间静态和动态的相 对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分 析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振 动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。在所有与机械状 态有关的故障征兆中，机械振动测量是最具权威性的，这是因为它同时含有 幅值、相位和频率的信息。机械振动测量占有优势的另一个原因是：它能反 应出机械所有的损坏，并易于测量。从转子动力学、轴承学的理论上分析， 大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心一转轴，而电涡流传感器，能 直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴 裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。 电涡流传感器的工作原理：探头、( 延伸电缆) 、前置器以及被测体构成 基本工作系统，构成图如3 8 所示。 图3 - 8 电涡流传感器基本工作系统 前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈 中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近， 则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表 面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个 方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流 的幅度和相位得到改变( 线圈的有效阻抗) ，这一变化与金属体磁导率、电导 率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的 距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则 线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率5 、磁导率e 、尺寸因 子t 、头部体线圈与金属导体表面的距离d 、电流强度i 和频率参数来描 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 述，则线圈特征阻抗可用z = f ( f ，乏，6 ，d ，i ，) 函数来表示。 通常我们能做到控制f ， ，6 ，i ，这几个参数在一定范围内不变，则线圈 的特征阻抗z 就成为距离d 的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其 函数特征为“s ”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。因此，通过前置器 电子线路的处理，将线圈阻抗z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距离d 的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间 的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振 动等参数的测量。 电涡流传感器的工作过程：当被测金属与探头之间的距离发生变化时， 探头中线圈的q 值也发生变化，q 值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这 个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归处理转化成 电压( 电流) 变化，最终完成机械位移( 间隙) 转换成电压( 电流) 。由上所述， 电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位 移传感器的性能与被测体有关。 电涡流传感器的特点：电涡流传感器精度高、稳定性好、不容易受外界 环境影响、工作可靠性好、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、 不受油污等介质的影响、结构简单等优点，但其测量范围较小一般为4 1 0 m m ，由于上述电涡流传感器的这些优点，使得它在位移动、静态测量中应 用较为广泛。 4 结论 通过上面对几种类型的位移传感器的比较，可知由于光栅位移传感器在 接触时容易损坏，且和光密切相关，因而对光路要求很高，抗震能力相对较 差，故本系统不采用该传感器。激光传感器虽然测量精度较高，且安装方便， 但是同样由于其抗震、抗冲击能力较差，以及价格较电涡流位移传感器昂贵， 故在本系统的设计中选用具有精度高、稳定性好、不容易受外界环境影响、 工作可靠性好、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污 等介质的影响、结构简单等优点的电涡流位移传感器。 本系统采用了e 2 c a 线性接近电涡流传感器及传感器放大器 e 2 c a a l 4 f ，其性能参数如表3 1 。 表3 - 1 e 2 c a 线性接近电涡流传感器性能参数 i传感器型号e 2 c a x 5 a e 2 c a - x l o a l 项目 电源电压 a c l o o - 2 4 0 v a c l 0 0 - 2 4 0 v 西南交通大学硕士研究生